生物机器混合动力机器人的能量供应研究进展

北京理工大学的科学家回顾了生物机器混合机器人的各种供能方法

生物机器混合机器人（BHR）代表了新一代微型飞行器，通过在生物和人工系统之间建立接口来控制。与传统的仿生机器人相比，它们没有复杂的机械结构，并且由于直接采用动物身体，它们具有优越的运动特性和更低的能量需求。因此，BHR可以应用于许多重要场景，例如城市和荒野救援行动，环境监测和危险区域调查。

为了实现长时间的任务续航能力，必须考虑控制背包的能量供给。由于不同的生物载体对能源设备的要求不同，BHRs的供电是一个重要的问题。北京理工大学的科学家们在一篇综述文章中总结了BHRs研究中供应装置的进展。

这篇发表在《半机械人与仿生系统》(Cyborg and Bionic Systems)杂志上的新评论论文全面概述了BHRs研究中的各种能量供应方法，从为不同的生物载体选择化学电池到各种能量收集器的开发和应用。

“你可能无法想象，有一天当你被困在野外时，第一个注意到你的求救信息并拯救你的将是一只动物。但这将在未来成为现实，”该研究的作者、北京理工大学教授赵杰良解释说。

长期以来，仿生学科学家一直期望能够模仿大自然的生物结构。尽管科学家们已经设计和制造出各种各样的机器人来模仿自然界中动物的运动，但还没有仿生机器人能与动物身体本身的效率和可操作性相媲美。

生物机器混合机器人(BHRs)已成为另一种新方法。BHRs利用动物作为载体，通过构建生物力学接口来调节载体的运动，以完成特定场景的任务。赵杰良说，用于为BHRs携带的控制背包和电子元件供电的能源供应单元决定了BHRs未来的发展和实际应用。

新发表的综述分析了BHRs研究中的各种能量供应方法。该研究的作者将能源供应设备分为五类：化学电池、太阳能电池、生物燃料电池、生物热能采集器和生物振动采集器。他们分别分析了不同载体动物在化学电池选择中的关注点。例如，在为飞虫选择电池时，除了满足基本的电气要求外，还需要考虑整个电池的重量和尺寸，以确保载虫能够正常飞行。

虽然电池的尺寸一直在减小，但较小的电池不能为bhr提供持续的能量，而且频繁充电会影响动物的寿命。因此，一些研究人员开始开发太阳能电池、生物燃料电池、生物热能收集器和生物振动能量收集器，为BHRs提供能量。

在这篇综述中，他们的团队对BHRs自供电设备的当前研究进行了总结概述。“能量收集器可以有效地从周围环境或动物本身收集不同形式的能量，这可以实现BHRs的自供电，”赵杰良说。

展望未来，该团队认为需要克服五个重要挑战。一是研制高能量密度供能装置。他们认为，随着新材料的创造和微纳米技术的进步，复合材料和微尺度结构设计是提高能量密度的主要方向。

第二个考虑是开发能源供应装置的生物相容性，以避免可能影响动物寿命的严重免疫反应。第三个问题是复合能源供应。通过合理收集多种环境能源，应用多种能量转换机制，可以有效提高供能装置的空间利用效率，增加功率输出。

第四个考虑因素是能源供应的稳定性，因为能源供应系统的长期稳定是有效控制BHRs的基本要求。最后要考虑的是环境友好型能源供应。由于BHRs在自然环境中使用，解决能源供应系统对环境的影响是一个至关重要的挑战。

“BHRs能源供应的研究领域仍处于起步阶段，”赵杰良说。大多数研究只在实验室进行。BHRs作为一种新型概念机器人，在动物监测和野生动物救援等未来场景中具有重要的应用前景。

能源供应系统直接决定了BHRs的实际应用。这一综述呼吁更多的研究人员关注这一领域，共同努力，克服能源供应方面的挑战，促进BHRs的实际应用。